La gravité mesurée à l'échelle quantique
Grâce à une nouvelle technique spectroscopique, des physiciens détectent les effets de la gravité sur les propriétés quantiques de neutrons.
Comment observer les effets à l'échelle quantique de la force de gravité terrestre ? Des physiciens de l'Université de technologie de Vienne et de l'Institut Laue-Langevin (ILL), à Grenoble, proposent aujourd'hui une solution à cette question soulevée dès l'avènement de la physique quantique, au début du XXe siècle. Ils ont mis au point une nouvelle technique de mesure des transitions entre les états quantiques de la matière, fondée sur l'étude de l'effet d'une perturbation mécanique sur des neutrons – les particules neutres du noyau de l'atome – ultrafroids.
Habituellement, ces transitions sont mesurées par spectroscopie électromagnétique : un rayon lumineux d'une fréquence particulière fait basculer des atomes d'un état quantique donné, caractérisé par une certaine énergie, vers un état excité, d'énergie supérieure, et l'on détecte par diverses techniques les énergies de transition d'un état à un autre. Ici, les mesures portent sur des neutrons excités par les vibrations d'un miroir.
Refroidis à quelques millikelvins (ce qui correspond à des énergies entre 100 et 200 nano-électronvolts), les neutrons se déplacent si lentement qu'au lieu de traverser la matière, comme ils le font habituellement, ils interagissent avec ses noyaux atomiques et peuvent être confinés dans une enceinte. Les physiciens ont utilisé cette propriété qui, pour ces neutrons, fait de la matière un miroir.
Ils ont injecté des neutrons ultrafroids entre deux plaques horizontales distantes d'une vingtaine de micromètres qui constituent un piège : la plaque supérieure absorbe ou diffuse les neutrons d'énergie supérieure à un certain seuil, tandis que les neutrons d'énergie inférieure restent piégés sous l'effet de la force gravitationnelle et de l'interaction forte qu'ils subissent avec les noyaux de la plaque inférieure, qui est un miroir. En 2002, aussi à l'ILL, des chercheurs avaient observé qu'ainsi piégés, les neutrons présentent des énergies discrètes. Tobias Jenke et ses collègues montrent à présent que lorsque le miroir vibre à une certaine fréquence, ces neutrons passent d'un niveau d'énergie à un autre : la vibration provoque des transitions entre leurs états énergétiques.
Par cette technique, nommée spectroscopie de résonance gravitationnelle, des variations infimes de la force gravitationnelle pourraient être détectées via les perturbations qu'elles entraîneraient sur le comportement quantique des neutrons. « Conçue pour mesurer des effets d'ordre millimétrique et micrométrique, cette nouvelle méthode pourrait ouvrir de nouvelles perspectives sur les théories liées à la gravité », explique Peter Geltenbort, chercheur à l'ILL et co-auteur des travaux. Elle pourrait permettre de tester à l'échelle micrométrique le principe d'équivalence, selon lequel la gravité accélère tous les objets de la même façon, ou encore la loi de la gravitation de Newton et l'existence d'autres dimensions prédite par la théorie des cordes. Voire de détecter de nouvelles forces qui perturberaient la gravité, telle celle que pourraient engendrer les axions, ces particules hypothétiques proposées comme l'un des constituants de la matière noire.
